高速涡轮发电机负载特性试验

于明涛，付忠广，杨金福，边技超，王正威（.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京006；.中国科学院工程热物理研究所，北京0090）



高速涡轮发电机负载特性试验

于明涛1，付忠广1，杨金福2，边技超1，王正威1
（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206；2.中国科学院工程热物理研究所，北京100190）

摘要：以气体轴承支撑的高速涡轮发电机为研究对象，研究电机电负载对轴系稳定性影响，对比分析电机在不带电负载和带电负载两种情况下轴系振动特性，借助时间三维谱图、频谱图、轴心轨迹等详细分析升速区域内振动特性，并且对比分析以上两种工况下能量输出情况。实验结果表明发电机带负载后不仅会使轴系振动加剧，而且会改变能量的输出比例。

关键词：振动与波；高速涡轮发电机；电负载；试验研究

随着我国经济社会快速发展，人们越来越关注能源系统环境问题，高速涡轮发电机作为分布式供能系统重要组成部分，由于节能、环保、可增加用户电力可靠性等诸多优点，在国内外已受到广泛重视[1]。多年来轴承转子稳定性研究取得了一系列成果，电机带电负载后轴系会受到电磁力和滑动轴承气膜力的合力[2，3]，由于以气体轴承支撑的高速涡轮发电机运行转速高和轴系振动呈现出高度的非线性，机组轴系受到轻微的外力激励就会导致振动加剧，从而严重威胁机组的运行安全[4，5]。

高转速下转子系统振动问题是一个很关键的问题，关系到转子系统能否稳定安全的工作，因此受到研究人员的关注。国内在高速涡轮转子的静态特性和振动仿真方面做的工作较多，而在涡轮转子系统的振动试验方面做的工作并不多，2004年，杨金福[6]提出了轴承与转子的流固耦合调频原理及工程稳定性判别准则，从而奠定了团队的理论和技术基础。

2008年，陈策对动静压混合气体润滑轴承-转子系统的非线性动力学行为进行大量试验研究，并且给出转子由周期运动进入混沌的过程[7]。本文以高速涡轮发电机转子-轴承系统为研究对象，设计并搭建高速涡轮发电机试验台，通过是否引入发电机电负载进行对比升速试验，分析轴系在不同电负载情况下的升速特性响应，研究发电机电负载对高速涡轮转子稳定性产生的影响，并且通过对比两次试验冷热电的输出情况得到电负载对能量输出的影响。

1　试验系统介绍

试验系统主要包括四部分，供气系统，控制系统，试验台本体以及数据采集与分析系统。供气系统可提供压力范围为0.3 MPa～1.0 MPa、流量范围为0～1 500 Nm3/h的驱动气源，供气管路上布置压力、温度、流量传感器以及主动控制阀门；控制系统可以控制轴承气以及驱动涡轮机的流量，进而控制轴承供气压力和转子升速率；采集系统由电涡流位移传感器和数据采集仪组成，用于测量和采集靠近轴承处转子的振动位移以及键相信号[8]。试验系统原理如图1所示。

图1　试验系统原理示意图

试验对象为由气体轴承支承的高速涡轮发电机，轴系两端为涡轮和压气机，在高速旋转的同时还能通过膨胀和压缩空气分别产生冷量和热量，试验中所用的盘式电机由2个磁盘和1个线圈组成，磁盘固定在转轴上为动子，线圈固定在缸体上为静子，磁盘的磁感应线运动后切割线圈产生电流。试验过程中先布置好各个测点的振动及温度探头，再将轴承气压力调到0.7 Mpa，通过改变线圈与外接电负载的连接来控制发电机电负载对轴系的作用，试验方案如下：

（a）发电机不接电负载作为对照，进行转子升速实验，稳定转速为42000r/min。

（b）发电机接电负载，保证其他条件不变，进行对比升速实验，负载随转速升高不断增大，稳定转速为42000r/min。

在没有带电负载时机组轴系主要受到气膜力和不平衡质量的影响，增加电负载后线圈内产生电流会使轴系温度升高，可能会导致机组轴系发生热弯曲增加不平衡质量，另外当N极和S极磁感应强度发生变化时，根据电磁吸引力的计算公式为：F=B2A/2μ，电磁吸引力F与磁感应强度B的平方成正比（A为做功面积，μ为磁导率），导致N、S极下的电磁力发生变化，使转子发生磁不平衡的振动，轴系受到磁不平衡和热不平衡的作用，会严重影响轴系的稳定运行[9，10]，因此在下面的试验中通过两组对比试验，重点研究在临界转速处和气膜振荡区域内的振动特性。

2　试验结果及分析

2.1临界转速对比分析

如图2所示为轴系转速幅值曲线，无电负载时临界转速为11 971 r/min，在临界转速处的振动幅值为11.1 μm，带电负载后临界转速为11 697 r/min，振动幅值为26.3 μm，与无电负载时相比临界转速提前了300 r/min，临界转速处的振动幅值增大了15.2 μm，可见增加电负载后轴系在临界转速处的振幅急剧增大。临界转速ω=k/m，带电负载后轴系会受到不平衡磁拉力的影响，使轴系受到的不平衡质量力m增大，根据公式临界转速ω会相应的减小，因此与不带电负载时相比临界转速提前了300r/min。

图2　转速幅值曲线

2.2低频特性对比分析

图3为无负载时的时间三维谱图，横坐标代表频率，纵坐标代表时间，谱图的亮度代表振幅的大小，颜色越亮幅值越大。

图3　无电负载时的三维谱图

谱图中出现两条曲线，一条为工频曲线，从工频曲线中可以看出，整个升速过程平稳，最高转速为43 200 r/min。图中另外一条曲线为低频曲线，在转速为38 700 r/min时出现，一直持续到最高转速，低频的频率为153 Hz，锁定在固有频率150 Hz至200 Hz区间不再变化。

图4为带电负载时的时间三维谱图，从图中可以看出，在转速39 300 r/min时，开始出现了一段不连续的低频，断断续续，低频频率维持在152 Hz至155 Hz之间。分析此处低频出现间断的原因：带电负载后轴系不仅受到不平衡质量力和气膜力的作用，而且还受到电磁力的作用，多个力在一起的耦合作用导致了不连续低频的出现。从图中可以看出随着转速升高低频频率会略有增大，这是由于气浮转子在高转速下具有动压效果，转速越高气膜刚度越大，使得固有频率增高。

图4　带电负载时的三维谱图

图5　无电负载时低频区域频谱图与轴心轨迹图

图5为无电负载时气膜振荡的典型轴心轨迹和频谱图，由图形可以看出，不带电负载时随着转速升高涡轮端的轴心轨迹图形始终处于周期一运行状态，整个过程并没有出现多周期运行现象，也就是说在此期间分频能量不足以影响到工频。在转速达到38 700 r/min之后出现了一个低频，其频率维持在148 Hz～157 Hz之间，低频的幅值随着转速升高逐渐变大，在转速43104r/min时低频振幅为6.31μm。

图6为带电负载时气膜振荡的轴心轨迹和频谱图，由下面的图形可以看出，在转速为42 000 r/min之前轴心轨迹仍然呈现出周期一运行状态，只是到43 000 r/min时轴心轨迹在水平方向出现了‘窜动’，分析其原因：可能是由于增加电磁力后影响了水平方向上的平衡状态，造成轴系在水平方向移动。从频谱图上可以看出在转速达到39 300 r/min之后出现了一个低频，其频率维持在148 Hz～157 Hz之间，低频的幅值随着转速升高逐渐变大，在转速为43104r/min时低频振幅为10.13μm。与带电负载前相比，带电负载后低频出现的转速向后推迟了600 r/ min，低频幅值增大了3.82μm。

图6　带电负载时低频区域频谱图与轴心轨迹图

图7　带电负载时分叉图

图7是带电负载时的分岔图，分岔图是将计算各转速下转子振动的Poincarè截面图按转速为横坐标排列起来得到的图形。当转子系统只受到不平衡质量力作用下处于周期一状态时，Poincarè截面图中仅会出现一个截点，对应到分岔图当中表现为分岔图形呈现线状；而当转子系统受到不平衡质量力、气膜力、电磁力等多个力作用下，呈现非线性振动时，Poincarè截面图将会发生变化，当转子处于混沌状态时，其Poincarè截面图呈现分散堆积的散点云图，对应在分岔图形则必然呈现云状。

从图8的低频区域工频振幅曲线可以看出，在转速达到41 000 r/min之前，相同转速下带电负载后的工频振幅比带电负载前的工频振幅大5 μm，之后随着转速升高，在42 000 r/min附近带电负载时低频振幅突然增加，从而导致了工频振幅的突然增大，此时两次试验工频幅值的差值为7μm。

2.3能量输出对比分析

第一次试验中没有带电负载，设备通过压缩和膨胀空气产生热量和冷量，在转速为43000r/min时制热温度为54.3℃，制冷温度为-20.8℃。将环境温度设定为25℃，功率计算公式为p=cΔt，如图9所示，可以计算出输出功率随着输入能量增加的变化曲线。

随着输入功率的增加，输出的制冷功率呈线性增加，由于开始阶段从压气机输出空气温度小于设定的环境温度，因此一直到转速为2.3 kW之后才有制热功率输出，随着输入功率的增大输出的制热功率也逐渐增大。

从输出功率比例曲线可以看出，输出的制冷功率占了很大比例，这是由于涡轮端的出口空气温度非常低，与环境温度之间的温差很大，因此计算出来的制冷功率占很大比例。在转速为42 000 r/min时，输出制冷功率占输出总功率的87 %，输出制热功率占输出总功率的13%。

图8　低频区域内的工频振幅

图9　无电负载时输出冷热能量曲线

图10　带电负载时输出冷热电能量曲线

第二次试验中电机带电负载，设备能同时输出冷、热、电三种形式的能量，在转速为43 000 r/min时制热温度为34.8℃，制冷温度为-13.8℃。图10为这三种能量的功率随输入能量的变化曲线，输出的制冷功率与输入功率呈线性关系；在主气路功率为4.5 kW之后才有输出的制热功率，制热功率随着输入功率逐渐增大；电功率也随着输入功率的增加呈线性增长。从输出功率比例曲线可以看出，在刚开始阶段制热功率为0，所以发电功率所占比例较大，制热功率开始出现后发电功率逐渐减小，而制冷功率随着转速增加基本维持在一个定值。在转速42 000 r/min时制冷比例为84 %，制热比例为6 %，发电比例为10 %，与无电负载时相比较制冷比例减少了3%，制热功率减少了7%。

图11为两次试验的对比曲线，可以看出随着主路流量的增加无电负载时转速要比带电负载时大，而且无电负载时输出总功率（制冷功率与制热功率之和）也要大于带电负载时的总功率（制冷功率、制热功率与发电功率之和），这是因为在输出能量中制冷量占很大比例，而制冷量大小又与转速密切相关，因此在相同流量下无电负载时输出总功率要大于带电负载时输出总功率。

3　结语

搭建了气体轴承支撑的高速涡轮发电机轴承-转子系统试验台，通过三维谱图、轴心轨迹、频谱图对带电负载前后轴系振动特性和输出能量进行分析，从分析中可以得到以下结论：

（1）带电负载后临界转速提前了300 r/min，而且在临界转速处振动幅值增大15.2μm。

（2）带电负载后气膜振荡开始的转速向后推迟600 r/min，而且气膜振荡区域内工频振幅比带电负载前工频振幅大7μm。

（3）在相同的主气路流量下，带电负载后输出总功率要小于带电负载前输出总功率。

图11　两次实验冷热对比曲线

参考文献：

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Load Characteristic Test of a High Speed Turbine Generator

YU Ming-tao1, FU Zhong-guang1, YANG Jin-fu2, BIAN Ji-chao1, WANG Zheng-wei1
（1. School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North ChinaElectric Power University, Beijing 102206, China; 2. Instituteof Engineering Thermo Physics, ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100190, China)

Abstract:With the high speed turbine generator supported by gas bearing as an object, the influence of electromagnetic forces on themotor shaft stability was studied. Thevibration characteristics of themotor shaft system with and without power load were compared and analyzed. With help of three-dimensional spectrum, frequency spectrum and centroid orbit, the vibration characteristics of the shaft in the acceleration range were analyzed in detail. The experimental resultsshow that thegenerator loadcanaffect thestability of thewholesystemandchangetheoutput ratioof energy.

Key words:vibrationandwave; highspeedturbogenerator; power load; experimental study

通讯作者：付忠广，男，博士生导师。E-mail:fzg@ncepu.edu.cn

作者简介：于明涛（1988-），男，河南省平顶山市人，硕士研究生，主要研究方向为非线性动力学。

基金项目：“分布式冷热电联供系统技术”资助项目（2012BAA11B02）

收稿日期：2015-08-14

文章编号：1006-1355(2016)02-0199-06

中图分类号：TH113

文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.02.044